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ADECUACIÓN ESTRUCTURAL PARA LA E.B. JOSE FELIPE MARQUEZ ESTADO TRUJILLO-VENEZUELA

J. YEPEZ M. Y DIKDAN Prof. Ing. Civil Ing. Civil UCLA UCLA Barquisimeto; Venezuela Barquisimeto; Venezuela e-mail: [email protected] e-mail: mydikdan @ ucla.edu.ve

L. ANDRADE R. ROJAS Prof. Ing. Civil Ing. Civil UCLA Ingeniería Roche Barquisimeto; Venezuela Barquisimeto; Venezuela E-mail: [email protected] e-mail: [email protected]

RESUMEN Se presenta el proyecto de reforzamiento estructural para una edificación de uso educativo, en concreto armado, conocida como “Tipo Antiguo II”. La Escuela Básica fue construida antes de la creación de la Norma Venezolana Sismorresistente Covenin 1756. Los resultados del análisis estructural demostraron insuficiente capacidad de respuesta ante las solicitaciones de servicio, alta vulnerabilidad ante la acción sísmica y deficiencias en la cantidad y distribución del acero de refuerzo. Por tal motivo se planteó el reforzamiento de la superestructura mediante la construcción de muros tipo panel, verificando su acción sobre el sistema de pilotaje existente. En el modelaje se utilizaron los valores de resistencia del concreto obtenidos en los ensayos destructivos realizados por el Laboratorio de Materiales del Decanato de Ingeniería Civil de la UCLA y los parámetros del suelo provenientes del estudio geotécnico. 1. INTRODUCCIÓN La Escuela Bolivariana José Felipe Márquez, se encuentra ubicada en el pueblo andino llamado Chejendé, Municipio Candelaria, Estado Trujillo. Debido a la presencia de sintomatologías de fallas en la edificación, la Fundación de Edificaciones y Dotaciones Educativas F.E.D.E. coordinación Trujillo conjuntamente con la representación de la directiva de la institución, solicitaron la realización del Diagnóstico Patológico y Proyecto de Intervención con fines de Rehabilitación a la mencionada estructura cuya fachada principal se puede observar en la Figura Nº1.

Figura Nº 1: Fachada de la Escuela

Yépez J; Dikdan M; Andrade L; Rojas R. Adecuación Estructural para la E.B. José Felipe Márquez, Estado Trujillo-Venezuela

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2 OBJETIVO Realizar diagnóstico patológico y reforzamiento estructural con fines de Rehabilitación de la Escuela Bolivariana José Felipe Márquez, ubicada en Chejendé, Municipio Candelaria del Estado Trujillo, Venezuela. 3 JUSTIFICACIÓN Es una edificación ubicada en una zona de alto riesgo sísmico, cuyo funcionamiento es vital en caso de emergencia, su falla puede dar lugar a cuantiosas pérdidas humanas y económicas. 4 METODOLOGÍA 4.1 Descripción del Caso de Estudio 4.1.1 Caracterización de la Edificación La estructura cuenta con doce ejes transversales, separados a 3,50m, identificados del 1 al 12, y cuatro ejes longitudinales separados a 6,25m los laterales y a 4,75m el central, identificados desde A a D, existe un semi sótano donde funciona la cocina y el comedor ubicado entre los ejes 7, 8, 9, 10 ,11 y 12 y entre los pórticos A, B, C y D. En total son 138 columnas fundadas sobre pilotes (30 en semi sótano + 60 en el primer piso + 48 en el segundo piso) cuyos ejes poseen continuidad en todos sus niveles.

Figura 2: Planta Baja El nivel semi sótano tiene una altura de entrepiso de 3.20m y 25cm de espesor para la losa. La estructura tiene 24 columnas principales, 6 columnas auxiliares y un muro de espesor 20cm en los tramos A-7-8, AD y D-7-8. Posee vigas altas en la dirección longitudinal de sección 25cmx60cm en los ejes A y D, vigas planas de sección 25cmx25cm en los ejes B y C. En la dirección transversal tenemos vigas altas de sección 30cmx50cm en el eje 7 sobre el muro y vigas altas de sección 25cmx60cm en los ejes 8 al a12. En éste nivel funciona el comedor con capacidad para 200 comensales, área de cocina, depósito, pantry, sanitario, hall, gas y porche, como se señala en los planos. El nivel planta baja tiene una altura de entrepiso de 3.57m. La estructura tiene 48 columnas principales y 12 columnas auxiliares. Posee vigas altas en la dirección longitudinal de sección 25cmx60cm. En la dirección transversal las vigas son de 25cmx40cm. Los volados son todas vigas altas en forma acartelada. En el pasillo central existe una losa maciza de 25cm de espesor que cuelga de las vigas B y C. Las otras losas de entrepiso son nervadas en una dirección de espesor 20cm. En éste nivel se encuentran siete aulas de clase una de ellas es la biblioteca, áreas para la dirección, consulta médica, depósito, bedel, espacio para una cooperativa, 2 salas de sanitarios y escalera. El nivel planta alta tiene una altura de entrepiso variable, de 3.20m a 4.55m. La estructura tiene 48 columnas principales. Posee vigas altas en la dirección longitudinal de sección 25cmx30cm en los ejes A y D y vigas de sección


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25cmx70cm en los ejes B y C. En los ejes laterales A y D, existen vigas de corona sobre los ventanales, teniendo estas una sección de 25cmx40 cm, ubicadas aproximadamente 1,00 m por debajo de la viga de amarre principal. En el pasillo central existe una losa maciza de 20cm de espesor que cuelga de las vigas B y C, las otras losas de entrepiso son nervadas en una dirección de espesor 20cm. Posee dos tanques en concreto armado para almacenamiento de agua de dimensiones 4.75mx3.50mx1m entre los ejes 6-7 y 8-9. En éste nivel se encuentran nueve aulas de clase, áreas para sala de profesores, 2 salas de sanitarios y escalera. 4.1.2 Caracterización de las Fallas Al realizar la inspección visual de la estructura se identificaron una serie de sintomatologías de fallas tales como grietas en el piso de las aulas y pasillo central de los dos niveles, humedad en techos y paredes, fisuras a 45º en las paredes de la fachada del área de comedor, aberturas y separación de paños de aceras en el patio lateral derecho al lado del comedor. En el área circundante a la escuela se observó inestabilidad del terreno, lo cual genera inquietud en los habitantes del sector y en la comunidad educativa en general. 4.2 Recopilación de la Información 4.2.1 Información Existente Artículo técnico de riesgo sísmico elaborado por Oscar López y otros [1] y algunos planos del proyecto original. 4.2.2 Levantamiento Planialtimétrico Se realizó el Levantamiento Planialtimétrico de la escuela para comparar la geometría real con la proyectada. 4.2.3 Ensayos Los ensayos en los elementos estructurales de concreto armado fueron realizados por el Laboratorio de Materiales de la Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado UCLA. Se estableció un plan de muestreo para conocer la resistencia a compresión del concreto [2] verificar su carbonatación [3] y el armado existente a través de escarificación. Se ubicó la posición del acero de refuerzo a través de la pachometría previa a las extracciones. Pudo verificarse que el acero longitudinal en columnas es de cabilla estriada y el de las ligaduras es liso, no evidenciando proceso corrosivo, con separaciones y cuantía de acero fuera de la norma vigente [4].

Tabla Nº 1: Resistencia del concreto en Columnas

Elemento ensayado Rcc (kg/cm2) Rcc Media por Piso (kg/cm2)

Rcc Media (kg/cm2)

COL 4B-CS-PA 91 98

97

COL 8D-CN-PA 105

COL 2C-CN-PB 74 74

COL 8C-CN-PB 74

COL 8B-CN COMEDOR 121 120

COL 9C`CE COMEDOR 119

4.2.4 Nivelación Se realizó la nivelación para determinar los posibles asentamientos diferenciales existentes en la estructura. Los resultados se muestran a continuación.


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Tabla Nº 2: Asentamientos Diferenciales (en cm)

Ejes A B C D

1 1.60 4.70 4.20 4.80

2 3.20 9.20 9.40 3.50

3 2.50 9.10 9.00 4.20

4 2.00 10.00 8.90 2.30

5 3.20 9.70 8.40 1.70

6 3.40 8.90 8.70 1.30

7 2.30 8.40 8.40 3.70

8 4.10 8.50 9.20 4.30

9 4.60 8.90 8.30 3.50

10 4.60 9.30 8.40 3.40

11 1.60 9.40 8.20 0.00

12 1.70 10.30 9.20 0.90

Asentamientos Diferenciales en cm

4.2.5 Estudio Geotécnico La exploración de campo se desarrolló con el uso de la metodología de sondeo a percusión mediante la aplicación de la prueba de penetración normal (SPT) y muestreo alterado a cada metro de profundidad. Se realizaron 3 sondeos o perforaciones, P1 (6m), P2 (6m) y P3 (6m). Se recuperaron un total de 18 muestras parcialmente alteradas. Se determinaron las principales propiedades físico-mecánicas del suelo sondeado. Los ensayos realizados fueron de identificación visual-manual, humedad natural, granulometría, peso unitario, límites de consistencia, compresión y expansión libre [5]. 4.3 Análisis Matemático Con la finalidad de determinar la capacidad actual de la estructura para soportar las solicitaciones que de acuerdo a su uso y ubicación puede estar sometida, se procedió a modelar matemáticamente la edificación, usando un programa de elementos finitos. Se realizó un análisis dinámico espacial con tres grados de libertad por nivel, considerando diafragma rígido. Los elementos se analizaron para la envolvente de las solicitaciones actuantes según las combinaciones especificadas en la Norma COVENIN-1753 [4] tomando en cuenta la combinación de las cargas verticales y las solicitaciones sísmicas actuantes. Para el análisis sísmico se utilizó un espectro de diseño basado en el perfil de suelo S2 según la ubicación de la escuela, un factor de importancia de 1.3 dado que se trata de una edificación clasificada como A, una aceleración de 0.30g por estar ubicada en la zona sísmica 5 y un Factor de Reducción igual a 2 según las especificaciones de la Tabla C-12.1 de la Norma Covenin 1756 [6]. Se utilizaron los valores de resistencia del concreto proveniente de los núcleos de concreto extraídos en la obra y ensayados en la UCLA, los valores de resistencia del acero de refuerzo recomendados por el Ing. Oscar López [1] y parámetros del estudio de suelos [5]. Las losas de entrepiso fueron modeladas como losas nervadas armada en una dirección, cuyas reacciones fueron introducidas como cargas distribuidas sobre las vigas de carga. Se incluyó la carga de los cerramientos compuestos por paredes dobles y sencillas de bloque macizo de arcilla, según los planos. El análisis a la estructura se realizó primero bajo la acción de las cargas permanentes, cargas vivas, sismo de diseño [7] se realizó otro análisis donde además de las cargas anteriores se introdujeron los asentamientos diferenciales arrojados en la nivelación. Fueron determinadas las cantidades de acero longitudinal y transversal requeridas para soportar la envolvente de las combinaciones de carga en vigas y columnas para compararlas con lo especificado en los planos del proyecto original. Se calcularon las derivas máximas para cada nivel en cada uno de los modelos y fueron comparadas con el valor límite permitido por la norma Covenin 1756 [6]. Los resultados obtenidos demuestran deficiencias en la cantidad y confinamiento del acero de refuerzo longitudinal y transversal en columnas y vigas, lo cual unido a la presencia de asentamientos diferenciales importantes, distribución


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deficiente del acero de refuerzo, baja resistencia del concreto y vulnerabilidad sísmica, demandan el reforzamiento estructural. 5. PROPUESTA DE REFORZAMIENTO El reforzamiento estructural consiste en la implantación de muros tipo sándwich, se plantearon varias alternativas de configuración en las plantas de entrepiso, de manera que su construcción resultara lo menos invasiva posible, conservando criterios de simetría para evitar efectos torsionales indeseables y ubicando los muros de manera de eliminar las consecuencias negativas que originan las columnas corta durante un sismo. Para cada caso se realizó el modelaje y análisis matemático considerando los asentamientos diferenciales, resultados de los ensayos de laboratorio, sismo horizontal, sismo vertical y torsor equivalente entre otros. La construcción de muros se justifica por diferentes motivos, entre los que podríamos mencionar primeramente la baja resistencia del concreto en los elementos estructurales obtenida de los ensayos de laboratorio, en segundo lugar por tratarse de una edificación escolar que requiere una rehabilitación lo más rápida e invasiva posible y en tercer lugar porque los muros absorben la mayor parte de los esfuerzos de la edificación ante las solicitaciones actuantes, disminuyendo la participación de vigas, columnas y aumentando considerablemente la rigidez. 5.1 Descripción del Reforzamiento 5.1.1 Infraestructura El sistema de fundaciones existente soporta las solicitaciones adicionales generadas por la nueva configuración estructural. 5.1.2 Superestructura El muro estará conformado por un núcleo o centro que corresponde a la pared de ladrillo macizo existente y pantalla de concreto armado de espesor igual a 7.5cm en cada cara del cerramiento. La construcción de muros en tres capas o tipo sándwich, dejando como capa central las paredes de ladrillo existentes, nos permite un reforzamiento con menores demoliciones y puede ejecutarse de forma rápida. En la siguiente figura se observa una imagen del muro a construir en el centro educativo.

Figura Nº 2: Muro por capas a construir en el centro educativo

Los muros deberán anclarse a la losa o viga, según sea el caso, para garantizar la continuidad en la transmisión de los esfuerzos. La unión del concreto nuevo con el viejo en los elementos a reforzar se hizo con la ayuda de anclajes químicos, que sirvan de conectores de corte en la intercara del concreto existente con el concreto nuevo, para lo cual se debe dar la rugosidad adecuada (protuberancias mayores de 6 mm) a la superficie del concreto existente, los mismos se calcularon para resistir el flujo de corte máximo existente en dicha superficie. Se propone la utilización de concreto proyectado o Shot Crete en los muros a construir, esto debido a que el material garantiza una buena adherencia con el concreto viejo sin necesidad de colocar puente adherente, no requiere encofrado por lo que facilita la colocación del concreto de refuerzo y puede realizarse en menor tiempo que los refuerzos tradicionales.


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5.1.3 Parámetros Sismoresistentes del Análisis Factor de reducción R: El análisis sismoresistente se realizó con R=2 debido al nivel de detallado que presentan los elementos estructurales existentes y siguiendo las recomendaciones del capítulo 12 de la Norma Covenin 1753-2001. Máxima Deriva permitida: Se limitó la máxima deriva en ambos sentidos al 12 por mil, siguiendo las recomendaciones de la Norma Covenin 1753-2001 capítulo 12. 5.1.4 Análisis Sísmico Zona Sísmica: Por estar situado en la ciudad de Chejendé Edo. Trujillo le corresponde zona 5 con Ao=0.30. Factor de Importancia α: Por tener uso educativo le corresponde un valor de α=1.30. Forma Espectral y Factor de Corrección “φ”: según estudio de suelo se considera suelo Tipo S2 y φ= 0.9. 5.1.5 Cortante Basal Mínimo Se verificó que el cortante obtenido en el análisis fuera mayor que αAo/R (Capítulo 7 Covenin 1756). 5.1.6 Cargas Se consideró un 50% de carga variable para efectos de la masa sísmica. Las cargas permanentes adicionales al peso propio de los elementos estructurales (el peso de los elementos estructurales losas, muros y columnas lo toma en cuenta el programa) fueron el acabado piso, friso en techo, tabiquería, cargas permanente en techo por raseo. Se consideraron cargas vivas para aulas, escalera, pasillos y techo. 5.1.7 Combinaciones de Carga Estados de carga Estado Descripción pp Peso Propio cv carga viva SX SISMO EN X SZ SISMO EN Z TX TORSION X TY TORSION Y C1 1.2pp+1.6cv C2 1.36pp+0.5cv+SX+0.3SZ+TX C3 1.36pp+0.5cv+SX+0.3SZ-TX C4 1.36pp+0.5cv-SX-0.3SZ-TX C5 1.36pp+0.5cv-SX-0.3SZ+TX C6 1.36pp+0.5cv+0.3SX+SZ+TY C7 1.36pp+0.5cv+0.3SX+SZ-TY C8 1.36pp+0.5cv-0.3SX-SZ+TY C9 1.36pp+0.5cv-0.3SX-SZ-TY C10 0.74pp+SX+0.3SZ+TX C11 0.74pp+SX+0.3SZ-TX C12 0.74pp-SX-0.3SZ+TX C13 0.74pp-SX-0.3SZ-TX C14 0.74pp+0.3SX+SZ+TY C15 0.74pp+0.3SX+SZ-TY C16 0.74pp-0.3SX-SZ+TY C17 0.74pp-0.3SX-SZ-TY


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Se puede observar en las combinaciones de carga que incluyen el sismo, que la carga permanente representada por “pp” tiene un factor de 1.36 en lugar de 1.2 y de 0.74 en lugar de 0.9, esto se debe a la consideración del sismo vertical, como lo especifica la norma, el cual es una variación del “pp” igual a ± 0.2 α ϕ β Ao pp, cuyo valor resultó ser 0.16pp.

Figura N° 3: Modelo matemático, incluyendo los muros propuestos

5.2 Resultados del Análisis luego del Reforzamiento 5.2.1 Deriva

Tabla Nº 3: Valores de la Deriva

TX TY TZ RX RY RZ h(cm) deriva x (en miles)

165 0 0 0 0 0 045 0.01692 0 0 0 0 0 320 0.084693 0.05991 -‐0.01969 0 0 0 -‐0.00016 340 0.202305882308 0.18965 -‐0.03263 0.0166 0 0 -‐0.00026 458 0.453240175

TX TY TZ RX RY RZ h(cm) deriva z (en miles)

165 0 0 0 0 0 045 0 -‐0.01384 0.02577 0 0 0 320 0.1288593 -‐0.02227 -‐0.02469 0.08755 -‐0.00015 0 0 340 0.290729412308 -‐0.04109 -‐0.03094 0.17425 -‐0.00018 0 0 458 0.302882096

Estado SZ=SISMO EN Z

Estado SX=SISMO EN X

Traslaciones [cm] Rotaciones [Rad]Nudo

Traslaciones [cm] Rotaciones [Rad]Nudo

Los valores de deriva obtenidos están por debajo de los indicados por la Norma Covenin 1756 capítulo 10, que señala como máxima permitida el valor 0.012.


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5.2.2 Columnas y Vigas Con el reforzamiento se cambió el sistema estructural aporticado a un sistema estructural apantallado, donde las columnas pasaron a ser elementos de borde de las pantallas. Dada la gran rigidez que inducen los muros, la demanda de esfuerzos sobre las columnas provenientes de las solicitaciones actuantes fue muy baja. En el caso de las Vigas, una cantidad importante de ellas, pasaron a formar parte de las pantallas, disminuyendo o eliminando la luz libre, la demanda de momentos por cargas verticales se redujo significativamente, por otra parte, la rigidez lateral inducida por los muros disminuye la demanda de fuerza sísmica en las vigas, por lo tanto los esfuerzos a los que estarán sometidas bajo un evento sísmico serán muy bajos. 6. EVALUACIÓN COSTO VS. BENEFICIO El proyecto no incluye el presupuesto de obra, fueron entregados los cómputos métricos según lo estipulado en la Norma COVENIN MINDUR 2000-92 [8]. El organismo contratante utilizará éste documento para establecer el presupuesto de licitación de la obra de reforzamiento, según su política interna de costos. 7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Oscar A. López; Lee, Carlos; Abou, Firas. “Riesgo Sísmico en edificaciones escolares del tipo Antiguo II”.

Revista de la Facultad de Ingeniería de la UCV, Caracas, Venezuela. [2] Norma Venezolana Covenin 345-80. “Método para la Extracción y Ensayo de Probetas Cilíndricas y Viguetas de

Concreto Endurecido”. [3] Norma Técnica Fondo norma Anteproyecto 1 NTF 27:1-004. “Concreto Durabilidad”. [4] Norma Venezolana Covenin–Mindur 1753-06. “Proyecto y Construcción de Obras en Concreto Estructural”. [5] Andrade, Luis; Sánchez Mila (2011). “Estudio Geotécnico E.B. Samuel Darío Maldonado, Isnotú Edo. Trujillo “. [6] Norma Venezolana Covenin–Mindur 1756-01. “Edificaciones Sismoresistente”. [7] Norma Venezolana Covenin–Mindur 2002-88. “Criterios y Acciones Mínimas Para el Proyecto de Edificaciones”. [8] Norma Venezolana Covenin–Mindur 2000-92. “Mediciones y Codificación de Partidas para Estudios, Proyectos y

Construcción. Parte IIA Edificaciones”.

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